區(qū)塊鏈+教育的需求分析與技術(shù)框架

金義富

摘要：《“十三五”國(guó)家信息化規(guī)劃》提出加強(qiáng)區(qū)塊鏈等新技術(shù)基礎(chǔ)研發(fā)和前沿布局，作為去中心化的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)框架，區(qū)塊鏈已在金融、公證與數(shù)字資產(chǎn)管理等領(lǐng)域獲得應(yīng)用并出現(xiàn)顛覆式設(shè)想。該文通過(guò)總結(jié)區(qū)塊鏈去中心、真數(shù)據(jù)、自信任、可編程、共維護(hù)、準(zhǔn)匿名六大特點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)“以學(xué)生為中心”教育理念為目的，從教育資源建設(shè)、教學(xué)過(guò)程評(píng)價(jià)和教育投入產(chǎn)出等方面分析對(duì)區(qū)塊鏈的需求，在教育大數(shù)據(jù)和云計(jì)算基礎(chǔ)上構(gòu)建“區(qū)塊鏈+教育”體系框架，提出一種通用教育經(jīng)歷區(qū)塊鏈系統(tǒng)，以角色與教育資源的互動(dòng)為事務(wù)原型設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)區(qū)塊，參照以太坊架構(gòu)，提出以燃料和“教育幣”為激勵(lì)機(jī)制，用角色的“教力”和“學(xué)力”、教育資源的“難度”和“適應(yīng)度”等變量表征事務(wù)狀態(tài)，研究狀態(tài)變量與教育投入產(chǎn)出的智能合約更新。該系統(tǒng)支持師生自主定制與維護(hù)教育區(qū)塊鏈資源，充分激發(fā)一線師生積極性，每個(gè)人都既是教師也是學(xué)生，甚至一個(gè)人就是一間學(xué)校，充分實(shí)現(xiàn)個(gè)性化教學(xué)和分享式學(xué)習(xí)。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈+教育；通用教育經(jīng)歷區(qū)塊鏈；教育事務(wù)與狀態(tài)；教育智能合約；需求與框架

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

近年來(lái)，教育發(fā)展沿著“以學(xué)生為中心”的理念不斷進(jìn)步，技術(shù)對(duì)教育的支撐也在不斷增強(qiáng)，以互聯(lián)網(wǎng)為代表的各種技術(shù)不斷滲透到教學(xué)過(guò)程和教育管理中，大力促進(jìn)信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，教育信息化成果累累，“三通兩平臺(tái)”、數(shù)字校園、智慧校園建設(shè)不斷取得新成果，對(duì)擴(kuò)大資源覆蓋面、促進(jìn)教育公平和提高教育教學(xué)質(zhì)量的引領(lǐng)作用日益凸顯。然而，與商務(wù)、金融和社交相比，信息技術(shù)對(duì)教育領(lǐng)域的滲透尚不深入，信息化與教育教學(xué)“兩張皮”現(xiàn)象仍然存在。技術(shù)會(huì)獨(dú)立于教育一如既往地飛速進(jìn)步，因此，如何彰顯信息技術(shù)對(duì)教育發(fā)展的革命性影響，實(shí)現(xiàn)教育信息化支撐教育綜合改革、提升資源優(yōu)質(zhì)均衡、促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展，關(guān)鍵還是在教育領(lǐng)域本身。根據(jù)近年來(lái)的發(fā)展路徑和現(xiàn)狀看，教育信息化深度應(yīng)用程度不夠、融合創(chuàng)新水平不高的關(guān)鍵影響因素之一在于未能充分調(diào)動(dòng)一線教師和學(xué)生參與的積極性和能動(dòng)性。一方面，正在向教育領(lǐng)域滲透的物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，對(duì)各級(jí)各類學(xué)校包括大學(xué)的大多數(shù)師生來(lái)說(shuō)都是全新的概念，理解這些概念含義的難度較大，更不太可能輕松地在教學(xué)活動(dòng)中使用，因此師生參與熱情不高；另一方面，這些技術(shù)本身也存在一些與教育實(shí)踐不“適應(yīng)”的地方。以在實(shí)際應(yīng)用中取得顯著成效的教育云和教育大數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析。首先，提供教育云建設(shè)、服務(wù)、管理與維護(hù)的一般為一個(gè)較大型的中心化機(jī)構(gòu)，用戶期待從云平臺(tái)廉價(jià)地獲得“按需服務(wù)”，由此，用戶必須嚴(yán)格依附于這個(gè)機(jī)構(gòu)，完全信任這個(gè)機(jī)構(gòu)是能持續(xù)存在的，且提供的服務(wù)是實(shí)時(shí)的、內(nèi)容是正確的、數(shù)據(jù)是安全的，還包括教育云的構(gòu)建昂貴、信息雙向性不對(duì)稱、按需服務(wù)的實(shí)用性不強(qiáng)、未充分體現(xiàn)以學(xué)生為中心的教育理念、集中持續(xù)更新維護(hù)困難、相關(guān)的數(shù)字資源知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)等一系列難題；其次，教育大數(shù)據(jù)基于云技術(shù)而構(gòu)建，除上述不足以外，最大難題在于不可避免地存在個(gè)人隱私和信息安全問(wèn)題。

根據(jù)區(qū)塊鏈架構(gòu)的特點(diǎn)，引入?yún)^(qū)塊鏈于教育領(lǐng)域，在教育大數(shù)據(jù)和云計(jì)算基礎(chǔ)上構(gòu)建“區(qū)塊鏈+教育”體系結(jié)構(gòu)。大數(shù)據(jù)是總的推動(dòng)力，云計(jì)算是中心化的架構(gòu)，教育區(qū)塊鏈?zhǔn)菍?duì)等網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，二者互為依托，優(yōu)質(zhì)資源云化，分享資源區(qū)塊鏈化，集中維護(hù)和集體維護(hù)互相補(bǔ)充。區(qū)塊鏈的對(duì)等網(wǎng)絡(luò)與開(kāi)源編程可充分體現(xiàn)“以學(xué)生為中心”的教育理念，實(shí)現(xiàn)本地化數(shù)據(jù)管理，通過(guò)準(zhǔn)匿名實(shí)現(xiàn)隱私保護(hù)，做到“我的數(shù)據(jù)我做主”，從技術(shù)本身去激發(fā)一線師生參與的積極性。

一、區(qū)塊鏈概述

（一）區(qū)塊鏈簡(jiǎn)介

1.區(qū)塊鏈系統(tǒng)

區(qū)塊鏈（Blockchain）即由區(qū)塊組成的鏈，區(qū)塊是一個(gè)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)單元，把數(shù)據(jù)區(qū)塊按時(shí)間順序連接組成的鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。英國(guó)政府在2016年1月發(fā)布的《區(qū)塊鏈：分布式賬本技術(shù)》對(duì)區(qū)塊鏈?zhǔn)沁@樣闡述的：區(qū)塊鏈?zhǔn)菙?shù)據(jù)庫(kù)的一種，它包含的記錄很多，這些記錄不是存放在一頁(yè)紙或一個(gè)表內(nèi)而是存儲(chǔ)在區(qū)塊內(nèi)，每個(gè)區(qū)塊通過(guò)數(shù)字簽名鏈接到上一個(gè)區(qū)塊，人們可以像使用賬本一樣使用區(qū)塊鏈，可以共享和授權(quán)查閱。

2008年，中本聰《比特幣：一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的電子現(xiàn)金系統(tǒng)》創(chuàng)造了比特幣（Bitcoin），它不是由特定貨幣機(jī)構(gòu)發(fā)行，而是基于區(qū)塊鏈對(duì)等網(wǎng)絡(luò)（Peer to Peer，P2P）經(jīng)過(guò)計(jì)算產(chǎn)生的數(shù)據(jù)貨幣，作為比特幣底層技術(shù)的區(qū)塊鏈技術(shù)隨著比特幣的熱炒、挖礦而逐漸浮現(xiàn)世界，2015年10月美國(guó)著名雜志《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》以封面文章發(fā)表《信任的機(jī)器》（The Trust Machine），強(qiáng)調(diào)區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N可以在無(wú)第三方監(jiān)督的狀態(tài)下建立彼此信任的技術(shù)手段，從而可作為第二代互聯(lián)網(wǎng)“價(jià)值互聯(lián)網(wǎng)”的基礎(chǔ)協(xié)議，其地位可比目前的HTTP協(xié)議。一個(gè)簡(jiǎn)化的數(shù)據(jù)區(qū)塊及區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)如圖1所示。

數(shù)據(jù)區(qū)塊長(zhǎng)度不超過(guò)1M字節(jié)，分區(qū)塊頭和區(qū)塊體兩部分。區(qū)塊體存儲(chǔ)用Merkle樹(shù)結(jié)構(gòu)封裝的數(shù)個(gè)實(shí)際交易事務(wù)數(shù)據(jù)。區(qū)塊頭固定為80字節(jié)，包含32字節(jié)的前一區(qū)塊哈希（Hash）地址、32字節(jié)的事務(wù)集Merkle樹(shù)根哈希值以及各4字節(jié)的時(shí)間戳、隨機(jī)數(shù)、難度值和版本號(hào)。數(shù)據(jù)區(qū)塊存儲(chǔ)于P2P網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)客戶端節(jié)點(diǎn)，組成健壯的分布式數(shù)據(jù)系統(tǒng)，通過(guò)工作量證明（Proof of Work，PoW）、權(quán)益證明（Proof of Stake，PoS）、實(shí)用拜占庭容錯(cuò)系統(tǒng)（Practical Byzantine Fault Tolerance，PBFT）、Raft一致性協(xié)議等共識(shí)機(jī)制以及可編程的智能合約直接建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信任。區(qū)塊鏈的這種去中心化信用機(jī)制是其得以重視的主要?jiǎng)?chuàng)新，以此可重構(gòu)全新的信用體系、降低欺詐風(fēng)險(xiǎn)、優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)流程、提升資源品質(zhì)和共享效率。

2.區(qū)塊鏈分類

根據(jù)區(qū)塊鏈運(yùn)維的公開(kāi)程度可分為公共鏈（Public Blockchain）、私有鏈（Private Blckchain）和聯(lián)盟鏈（Consortium Blockchain）三類，其主要標(biāo)志如下表所示。

一條區(qū)塊鏈不可以出現(xiàn)分叉，但可以設(shè)計(jì)與之交互的子鏈或稱側(cè)鏈（Side Chain），作為對(duì)主鏈某些規(guī)則的靈活變更，已經(jīng)出現(xiàn)了如“閃電網(wǎng)絡(luò)”這樣的側(cè)鏈產(chǎn)品，它把比特幣的絕大多數(shù)交易放在側(cè)鏈瞬間完成，保證具有與主鏈同等的可證性和安全性，只在集中清算時(shí)才寫(xiě)入主區(qū)塊鏈。

根據(jù)區(qū)塊鏈應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)展，Melanie Swan在《區(qū)塊鏈：新經(jīng)濟(jì)藍(lán)圖及導(dǎo)讀》中把區(qū)塊鏈分成三個(gè)發(fā)展階段。以比特幣為典型應(yīng)用的為區(qū)塊鏈1.0架構(gòu)，主要是建立了支持虛擬貨幣的去中心化數(shù)字支付系統(tǒng)。為進(jìn)一步提升共識(shí)效率、拓寬應(yīng)用場(chǎng)景，隨后出現(xiàn)了以以太坊（Ethereum）應(yīng)用為代表的區(qū)塊鏈2.0架構(gòu)，通過(guò)擴(kuò)展區(qū)塊鏈功能，把區(qū)塊鏈作為一個(gè)不只適用于數(shù)字貨幣的通用去中心化平臺(tái)，提供一個(gè)可編程的語(yǔ)言環(huán)境，可創(chuàng)建智能合約以代替?zhèn)鹘y(tǒng)合同，增加了賬戶概念用以記錄合約對(duì)象，可進(jìn)行更復(fù)雜的查詢和校驗(yàn)需求。區(qū)塊鏈3.0架構(gòu)的成熟應(yīng)用尚未出現(xiàn)，它超越貨幣和金融范圍應(yīng)用，可能主要以聯(lián)盟鏈和私有鏈結(jié)構(gòu)進(jìn)行部署，采用部分去中心的混合分布式架構(gòu)，具備企業(yè)級(jí)管理屬性，支持政府、工業(yè)、醫(yī)療以及教育等行業(yè)應(yīng)用，Linux基金會(huì)2015年12月啟動(dòng)的“超級(jí)賬本”（Hyperledger）項(xiàng)目具有支持多領(lǐng)域應(yīng)用前景。

隨著區(qū)塊鏈應(yīng)用領(lǐng)域的增加，不同類型的區(qū)塊鏈自然也會(huì)不斷增加，不同的區(qū)塊鏈可以通過(guò)相應(yīng)的協(xié)議實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，形成互聯(lián)鏈（Interchain），在不同鏈路、不同物理層上的系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層面的互聯(lián)互通。若干年后，各種公共鏈、聯(lián)盟鏈、私有鏈相互連接，多個(gè)領(lǐng)域多條主鏈互通、多個(gè)側(cè)鏈作為補(bǔ)充相連，形成類似于今天互聯(lián)網(wǎng)一樣覆蓋全領(lǐng)域的價(jià)值區(qū)塊鏈網(wǎng)，隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展，所有人和機(jī)器都連接到一個(gè)統(tǒng)一的全球區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中。

（二）區(qū)塊鏈特點(diǎn)

區(qū)塊鏈架構(gòu)將點(diǎn)對(duì)點(diǎn)安全分享的概念提升到一個(gè)全新的水平，具有去中心、真數(shù)據(jù)、自信任、可編程、共維護(hù)、準(zhǔn)匿名等六大特點(diǎn)。

1.去中心

區(qū)塊鏈以P2P網(wǎng)絡(luò)為支撐，每個(gè)節(jié)點(diǎn)既是服務(wù)的請(qǐng)求者也是服務(wù)的響應(yīng)者，不再依賴中心服務(wù)器和機(jī)構(gòu)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)彼此信任而直接交換數(shù)據(jù)資源，使得節(jié)點(diǎn)間的交互和共享變得更容易，去除第三方參與。

2.真數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)區(qū)塊的時(shí)間戳具備數(shù)據(jù)溯源功能，有效保障原始數(shù)據(jù)不被偽造；數(shù)據(jù)采用分布式存儲(chǔ)方式，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能復(fù)制一份完整的數(shù)據(jù)庫(kù)拷貝，少數(shù)節(jié)點(diǎn)故障不會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)失效，同時(shí)除非能操控系統(tǒng)中51%以上的算力，否則在節(jié)點(diǎn)上對(duì)數(shù)據(jù)的篡改是無(wú)效的。

3.自信任

區(qū)塊鏈系統(tǒng)利用哈希算法生成Merkle樹(shù)交易事務(wù)集以及區(qū)塊連接地址，采用一套非對(duì)稱密碼學(xué)算法對(duì)交易進(jìn)行數(shù)字簽名，借助工作量證明PoW等共識(shí)機(jī)制構(gòu)建節(jié)點(diǎn)間的價(jià)值信任，使系統(tǒng)中各參與節(jié)點(diǎn)能自動(dòng)安全交換數(shù)據(jù)而勿需人為干預(yù)。

4.可編程

區(qū)塊鏈系統(tǒng)具有對(duì)公共開(kāi)放透明的信息，任何人都可以通過(guò)公開(kāi)的接口查詢系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)和代碼信息，通過(guò)腳本語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)可編程應(yīng)用，定義數(shù)據(jù)區(qū)塊交易類型、編寫(xiě)相關(guān)的去中心化程序、創(chuàng)建高級(jí)的智能合約。

5.共維護(hù)

系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)區(qū)塊由所有具有維護(hù)功能的參與節(jié)點(diǎn)集體維護(hù)，且維護(hù)是開(kāi)源的，任何人都可以參與，同時(shí)，維護(hù)行為與區(qū)塊數(shù)據(jù)一樣是可信任的，維護(hù)方式簡(jiǎn)單，任一節(jié)點(diǎn)的過(guò)失也不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作。

6.準(zhǔn)匿名

區(qū)塊鏈系統(tǒng)信任和交易均建立在哈希非對(duì)稱密碼機(jī)制下，交易無(wú)需第三方認(rèn)證和委托，因此無(wú)需公開(kāi)真實(shí)身份，只需要用戶的公鑰即用戶的公開(kāi)哈希地址，即可實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的信息傳遞，使個(gè)人隱私得到充分保護(hù)。

二、區(qū)塊鏈+教育的需求分析

從美國(guó)人本主義心理學(xué)家羅杰斯于20世紀(jì)50年代提出“以學(xué)生為中心”的教育理念至今，特別是近年來(lái)，隨著信息技術(shù)、教育和心理科學(xué)的發(fā)展，學(xué)校教育一直在努力實(shí)現(xiàn)這種理念，但“以學(xué)生為中心”必然要求“個(gè)性化教學(xué)”“自主學(xué)習(xí)”“定制教育”，這與目前實(shí)際存在的班級(jí)教學(xué)制和工業(yè)化背景不完全相容，所以至今尚未出現(xiàn)可大規(guī)模復(fù)制的“以學(xué)生為中心”的完美案例。根據(jù)區(qū)塊鏈架構(gòu)的特點(diǎn)，構(gòu)建“區(qū)塊鏈+教育”體系結(jié)構(gòu)，升級(jí)以教師為中心的教育系統(tǒng)，使老師、學(xué)生和教育管理者角色平行化，建立“以人為中心”的對(duì)等網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可以從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)教育資源、教學(xué)過(guò)程、教育評(píng)價(jià)以及教育支持等領(lǐng)域的模塊化系統(tǒng)，有望重塑教育生態(tài)，真正實(shí)現(xiàn)“以學(xué)生為中心”的教育。

（一）教學(xué)與研究資源建設(shè)需求

教育資源回答“學(xué)什么”，每個(gè)學(xué)習(xí)者的基礎(chǔ)、興趣和學(xué)習(xí)方法不同，所需求的“學(xué)什么”應(yīng)該不是一個(gè)可統(tǒng)一“批發(fā)”的計(jì)劃性資源系統(tǒng)，需要?jiǎng)?chuàng)建定制化、模塊化的教學(xué)與研究資源。區(qū)塊鏈的去中心和共維護(hù)等特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)教學(xué)與研究資源定制和共享，把包括課程資源、案例庫(kù)、教研成果等所有資源按數(shù)據(jù)區(qū)塊邏輯進(jìn)行組織，教師和學(xué)生每個(gè)人都可參與資源的更新，所謂“三人行必有我?guī)煛?，讓學(xué)生自己生成學(xué)習(xí)資源，通過(guò)集體智慧可使資源得到最大程度優(yōu)化；同時(shí)，區(qū)塊鏈可充分保證資源的信任度和知識(shí)產(chǎn)權(quán)。結(jié)合云計(jì)算技術(shù)，承載教育區(qū)塊鏈資源的不僅只有教育云數(shù)據(jù)中心，也同時(shí)在各客戶端節(jié)點(diǎn)有全部或部分拷貝，甚至可以由一個(gè)以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支撐的教育機(jī)器人作為資源節(jié)點(diǎn)。

可以利用數(shù)據(jù)分布式查詢、分類與聚類實(shí)現(xiàn)資源定制，實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的動(dòng)態(tài)性、非計(jì)劃性和不確定性，從而學(xué)生可進(jìn)行分享式自主學(xué)習(xí)，每個(gè)人都可以成為一間“微學(xué)?！?，這種分享式學(xué)習(xí)是在奉獻(xiàn)中的學(xué)習(xí)、在教授別人過(guò)程中的學(xué)習(xí)，可能學(xué)習(xí)效果更好，而教師也在此過(guò)程中實(shí)現(xiàn)自身教學(xué)與科研水平提升。這種教育區(qū)塊鏈資源運(yùn)維由全體參與師生集體實(shí)現(xiàn)，不再依賴專門(mén)的資源中心，充分調(diào)動(dòng)一線師生的積極性。

（二）教學(xué)過(guò)程與評(píng)價(jià)需求

學(xué)校教學(xué)過(guò)程典型模式可簡(jiǎn)單概括為“六同”：同一時(shí)間、同一地點(diǎn)、同一教師、同一教材、同一教學(xué)方法和同一評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。教師根據(jù)教學(xué)計(jì)劃和教學(xué)大綱標(biāo)準(zhǔn)要求備課，學(xué)生領(lǐng)到指定的教材，之前學(xué)生可能有也可能沒(méi)有對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行初步了解，然后師生都走進(jìn)教室，教師按事先備好課的內(nèi)容進(jìn)行講解，學(xué)生聽(tīng)課，課畢，教師可能有（也可能沒(méi)有）布置一些作業(yè)，在一個(gè)固定時(shí)間間隔后，教師再以同樣的方式講解下一個(gè)已安排好的教學(xué)內(nèi)容，如此，完成固定的幾十節(jié)課后，至學(xué)期末教師用一張?jiān)嚲砣舾蓚€(gè)測(cè)試題對(duì)該門(mén)課程的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行考試評(píng)價(jià)。這種延續(xù)數(shù)百年的模式自然有其存在的合理性，但每個(gè)人的學(xué)習(xí)需求和成長(zhǎng)路徑是不同的，如果把“六同”更新為“六不同”，即不同時(shí)間、不同地點(diǎn)、不同教師、不同教材、不同教學(xué)方法和不同評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)可實(shí)現(xiàn)教育的真正目的即人的成長(zhǎng)。

區(qū)塊鏈的真數(shù)據(jù)和自信任等特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)教學(xué)過(guò)程和評(píng)價(jià)“六不同”，實(shí)現(xiàn)“以人為中心”的個(gè)性化教學(xué)，回答“如何學(xué)”的問(wèn)題。建立學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)記錄區(qū)塊鏈，正式學(xué)習(xí)部分的記錄以一節(jié)課為一個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)塊，來(lái)源于參與課堂討論與測(cè)試的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，非正式學(xué)習(xí)部分的記錄以項(xiàng)目組建數(shù)據(jù)區(qū)塊，自主選擇來(lái)源于多個(gè)教師和教材的教育資源，在任意合適時(shí)間，不論學(xué)習(xí)者是在學(xué)校課外、在家上學(xué)、在異地游學(xué)還是通過(guò)教育機(jī)器人的學(xué)習(xí)，根據(jù)適合自己的學(xué)習(xí)方式，項(xiàng)目完成細(xì)節(jié)與測(cè)試評(píng)價(jià)大數(shù)據(jù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈接。這樣建立的過(guò)程與評(píng)價(jià)區(qū)塊鏈系統(tǒng)因其固有的數(shù)據(jù)可靠性和極高的可信度，可以直接作為招生、晉級(jí)等人才選拔和學(xué)歷認(rèn)證的個(gè)人評(píng)價(jià)依據(jù)。

（三）教育管理、培訓(xùn)與支持系統(tǒng)需求

教育投入產(chǎn)出分析是教育管理、培訓(xùn)與支持系統(tǒng)建設(shè)的主要依據(jù)，對(duì)“區(qū)塊鏈+教育”體系結(jié)構(gòu)有十分迫切的需求。

以公用鏈和私有鏈相結(jié)合構(gòu)建全國(guó)教育管理區(qū)塊鏈系統(tǒng)，在繼續(xù)教育、職業(yè)培訓(xùn)和教育扶貧等方面建立教育投入產(chǎn)出區(qū)塊鏈系統(tǒng)；利用區(qū)塊鏈的準(zhǔn)匿名和可編程等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)各級(jí)各類學(xué)校、各種資助情況信息公開(kāi)透明并完美保護(hù)用戶隱私；通過(guò)可編程接口創(chuàng)建智能合約程序，自動(dòng)檢測(cè)約定的學(xué)校辦學(xué)目標(biāo)、項(xiàng)目階段成果、被培訓(xùn)者或教育扶貧受助者學(xué)習(xí)成績(jī)是否實(shí)現(xiàn)，根據(jù)智能合約規(guī)定，將自動(dòng)觸發(fā)后續(xù)投入計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)教育經(jīng)費(fèi)和約定目標(biāo)的良性循環(huán)。

學(xué)校內(nèi)部管理私有鏈可以整合學(xué)校已有辦公自動(dòng)化系統(tǒng)、人事檔案管理系統(tǒng)及財(cái)務(wù)管理系統(tǒng)，如建立財(cái)務(wù)經(jīng)費(fèi)收支區(qū)塊鏈，由項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)來(lái)源單位與經(jīng)費(fèi)負(fù)責(zé)人直接相互信任，往來(lái)賬目記入交易區(qū)塊，由Raft一致性協(xié)議等共識(shí)機(jī)制確認(rèn)數(shù)據(jù)安全合法性，可望突破現(xiàn)有財(cái)務(wù)報(bào)銷流程，弱化財(cái)務(wù)管理和審計(jì)中心的大量工作。

在未來(lái)，學(xué)校管理支持系統(tǒng)與教育資源、教學(xué)過(guò)程區(qū)塊鏈相互連接形成互聯(lián)鏈智慧校園，實(shí)現(xiàn)教學(xué)信息互用與師生價(jià)值互聯(lián)。

三、區(qū)塊鏈+教育的技術(shù)框架

（一）總體架構(gòu)

教育知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)、理念與品牌、資產(chǎn)與設(shè)施、制度與方法等一切有形或無(wú)形的均是教育資源，所有參與教育活動(dòng)的人其實(shí)都是在與教育資源發(fā)生不同類型的關(guān)系：教師在貢獻(xiàn)教育資源、學(xué)生在學(xué)習(xí)教育資源、教育管理者在管理教育資源，在對(duì)教育資源的貢獻(xiàn)、學(xué)習(xí)或管理等事務(wù)中學(xué)生學(xué)習(xí)得以實(shí)現(xiàn)、教師和教育管理者職能得以發(fā)揮。因此，可統(tǒng)一教師、學(xué)生、教育管理者以及所有教育活動(dòng)參與者為同一種角色，把教育活動(dòng)抽象為人與教育資源的互動(dòng)。根據(jù)以上“區(qū)塊鏈+教育”需求分析，本文提出構(gòu)建一種通用教育經(jīng)歷區(qū)塊鏈系統(tǒng)（Universal Education Experience Blockchain System，UEEB），它建立于“以人為中心”的P2P對(duì)等網(wǎng)絡(luò)，以人的成長(zhǎng)和教育資源的變化作為基本事務(wù)構(gòu)建區(qū)塊鏈，可在教育資源建設(shè)、學(xué)習(xí)過(guò)程與評(píng)價(jià)、教育管理與教育投入產(chǎn)出等方面實(shí)現(xiàn)教育區(qū)塊鏈服務(wù)，實(shí)現(xiàn)教育資源模塊化定制和教學(xué)過(guò)程“六不同”等。同時(shí)，“區(qū)塊鏈+教育”以云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)為基礎(chǔ)，除非隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展逐步把云計(jì)算演變?yōu)椤皡^(qū)塊鏈云”，學(xué)校教育應(yīng)該將會(huì)持續(xù)支撐作為優(yōu)質(zhì)資源共享的教育云中心化平臺(tái)建設(shè)，因此，“區(qū)塊鏈+教育”總體架構(gòu)應(yīng)是一種部分去中心化的混合部署模式（如圖2所示）。

通用教育經(jīng)歷區(qū)塊鏈系統(tǒng)UEEB提供一個(gè)教育區(qū)塊鏈基礎(chǔ)框架，按任務(wù)層、策略層、服務(wù)層、管理層和網(wǎng)絡(luò)層五個(gè)層次設(shè)計(jì)，任務(wù)層由客戶端或編寫(xiě)成的API程序生成教育資源、學(xué)習(xí)方式、教育管理流程、教育投入產(chǎn)出等不同需求任務(wù)，策略層根據(jù)用戶身份和任務(wù)性質(zhì)進(jìn)行智能計(jì)算和推送，在系統(tǒng)控制和監(jiān)督下分流申請(qǐng)教育云或區(qū)塊鏈服務(wù)。在教育區(qū)塊鏈的服務(wù)層中根據(jù)不同策略實(shí)現(xiàn)請(qǐng)求與教育資源的既定關(guān)系，提供數(shù)據(jù)區(qū)塊封裝，在管理層進(jìn)行加密、驗(yàn)證、簽名，在對(duì)等網(wǎng)絡(luò)中通過(guò)挖礦達(dá)成共識(shí)或滿足合約實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)區(qū)塊的鏈接。

（二）UEEB數(shù)據(jù)區(qū)塊

1.數(shù)據(jù)區(qū)塊結(jié)構(gòu)

UEEB系統(tǒng)以區(qū)塊鏈2.0架構(gòu)為基礎(chǔ)進(jìn)行構(gòu)建，其數(shù)據(jù)區(qū)塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

教育事務(wù)集和狀態(tài)以MPT（Merkle Patricia Tree）進(jìn)行組織，用哈希（Hash）算法和時(shí)間戳等方法封裝于數(shù)據(jù)區(qū)塊中。哈希算法可以將任意長(zhǎng)度的輸入信息快捷地轉(zhuǎn)換為固定長(zhǎng)度的Hash值輸出，且具有不可逆性，即無(wú)法通過(guò)一個(gè)已知的Hash值計(jì)算出其對(duì)應(yīng)的輸入值，區(qū)塊鏈系統(tǒng)采用美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院發(fā)布的Sha256函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，它輸出長(zhǎng)度為32字節(jié)的Hash值，具有極強(qiáng)的抗碰撞性，即同一個(gè)Hash值幾乎不可能由不同的輸入信息計(jì)算得到。時(shí)間戳用于記錄數(shù)據(jù)區(qū)塊的封裝時(shí)間，保證數(shù)據(jù)的不可篡改性，具備數(shù)據(jù)溯源功能，可支持教育資源的產(chǎn)權(quán)保護(hù)和教育評(píng)價(jià)的客觀公證。

2.教育事務(wù)與狀態(tài)

UEEB系統(tǒng)數(shù)據(jù)區(qū)塊的事務(wù)集由人以不同身份角色與教育資源的互動(dòng)產(chǎn)生。教育事務(wù)包括創(chuàng)建資源、更新資源和學(xué)習(xí)資源、管理資源等活動(dòng)，狀態(tài)是指角色或教育資源在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的靜態(tài)屬性。人的成長(zhǎng)用“教力”和“學(xué)力”等屬性來(lái)衡量，帳戶創(chuàng)建時(shí)給定一個(gè)初始值，資源的變化用“難度”“適應(yīng)度”和“權(quán)屬”等屬性來(lái)標(biāo)識(shí)，其值由創(chuàng)建或更新者指定，創(chuàng)建、更新或整理資源使教力增加和資源屬性發(fā)生變化，學(xué)習(xí)資源使學(xué)力增加，如圖4所示。其中，教力和學(xué)力增加值應(yīng)該是角色本身的狀態(tài)和資源的難度、適應(yīng)度的一個(gè)綜合函數(shù)關(guān)系。

參考以太坊交易燃料Gas設(shè)計(jì)方法，每一個(gè)事務(wù)的發(fā)生設(shè)置都收取一定數(shù)量的費(fèi)用，其值也同時(shí)代表完成事務(wù)所需的代價(jià)。區(qū)塊由挖礦成功者生成，引入“教育幣”對(duì)區(qū)塊確認(rèn)者進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)，只有通過(guò)規(guī)則驗(yàn)證的區(qū)塊才能接到區(qū)塊鏈中。

（三）教育區(qū)塊鏈管理

1.事務(wù)的執(zhí)行

教育事務(wù)的執(zhí)行相當(dāng)于角色和教育資源的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，其一般過(guò)程為：發(fā)起者發(fā)出一個(gè)帶隨機(jī)數(shù)的事務(wù)并進(jìn)行數(shù)字簽名，系統(tǒng)檢查事務(wù)格式是否符合規(guī)則要求、隨機(jī)數(shù)是否匹配；對(duì)驗(yàn)證通過(guò)的事務(wù)進(jìn)行燃料（Gas）比較，如果具備事務(wù)發(fā)生資格，即具備更新教育資源能力或具備學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，則根據(jù)角色性質(zhì)計(jì)算教力、學(xué)力以及資源屬性變化；如果事務(wù)成功完成，就正式生成事務(wù)、修正各種狀態(tài)，啟動(dòng)MPT封裝程序，事務(wù)進(jìn)入數(shù)據(jù)區(qū)塊等待挖礦確認(rèn)。

教育數(shù)據(jù)區(qū)塊長(zhǎng)度的確定可以有兩種模式：學(xué)校教育中以一節(jié)課設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)塊，實(shí)際教學(xué)過(guò)程中以一節(jié)課為單位安排一個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行學(xué)習(xí)并測(cè)試，一門(mén)課的成績(jī)?cè)u(píng)定由若干節(jié)課的測(cè)試自動(dòng)組成，這樣形成的教學(xué)過(guò)程區(qū)塊鏈和成績(jī)區(qū)塊鏈具有學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)的客觀性。非正式學(xué)習(xí)和其它教育活動(dòng)數(shù)據(jù)區(qū)塊的長(zhǎng)度參照比特幣或以太坊區(qū)塊規(guī)則制定，比特幣區(qū)塊長(zhǎng)度不超過(guò)1MB，包含約1500-2000筆交易，而以太坊區(qū)塊大小主要由智能合約復(fù)雜性決定，每個(gè)區(qū)塊最大長(zhǎng)度未嚴(yán)格規(guī)定，目前未超過(guò)2K字節(jié)，最多包含約70筆交易。

2.共識(shí)機(jī)制

現(xiàn)實(shí)中，教育數(shù)據(jù)由教師、教育管理者或?qū)W生根據(jù)教育規(guī)律或預(yù)定規(guī)則確認(rèn)，UEEB系統(tǒng)中教育事務(wù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)塊由共識(shí)算法自動(dòng)在網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)間達(dá)成共識(shí)后進(jìn)入?yún)^(qū)塊鏈，此過(guò)程即為挖礦。在云計(jì)算等中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下所有客戶端只需信任服務(wù)器，共享服務(wù)器資源，各客戶端之間無(wú)需建立直接關(guān)系。但與現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的拜占庭（Byzantine）將軍問(wèn)題類似，在對(duì)等網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中必然存在有意或無(wú)意的破壞和不可預(yù)料的行為，共識(shí)源于分布式網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的相互信任，常用PoW、PoS、PBFT以及Raft一致性協(xié)議等共識(shí)算法保障各節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的一致性和正確性。

工作量證明PoW是比特幣系統(tǒng)的挖礦算法，其主要思路是：進(jìn)行若干次sha256函數(shù)運(yùn)算尋找一個(gè)滿足給定難度值的隨機(jī)數(shù)，可以簡(jiǎn)單地用運(yùn)算次數(shù)來(lái)理解工作量，如果找到則向全網(wǎng)廣播，收到通知的節(jié)點(diǎn)判斷該區(qū)塊的所有交易是否都有效且與已有區(qū)塊不重復(fù)，則接收此區(qū)塊，填入鏈接地址并寫(xiě)入找到的隨機(jī)數(shù)，獲得獎(jiǎng)勵(lì)的比特幣。UEEB系統(tǒng)作為一種公用鏈和私有鏈混合的互聯(lián)鏈，公用鏈部分采用以上類似的挖礦機(jī)制，只是獎(jiǎng)勵(lì)的是另一種代幣“教育幣”，而在私有鏈部分如一個(gè)學(xué)校內(nèi)部，可以用指定的節(jié)點(diǎn)來(lái)負(fù)責(zé)確認(rèn)，或規(guī)定由超過(guò)1/2或2/3以上參與者共同確認(rèn)，或二者混合使用。如教育資源初始創(chuàng)建者或與同門(mén)課程授課老師一起負(fù)責(zé)相關(guān)區(qū)塊的確認(rèn)，成績(jī)區(qū)塊由指導(dǎo)老師指定的相關(guān)老師、同學(xué)一起進(jìn)行確認(rèn)。

3.教育智能合約

智能合約是借助于密碼學(xué)等安全機(jī)制而開(kāi)發(fā)的一組計(jì)算機(jī)程序，在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中具有自主執(zhí)行和自我驗(yàn)證特征。以太坊智能合約執(zhí)行和數(shù)據(jù)區(qū)塊更新方式如下：客戶端定義規(guī)則，部署已簽名的合約并轉(zhuǎn)換為以太坊虛擬機(jī)位碼，如果具備足夠的燃料Gas，挖礦者通過(guò)運(yùn)行已簽名的智能合約得出一個(gè)輸出結(jié)論，當(dāng)一個(gè)區(qū)塊產(chǎn)出，礦工廣播這個(gè)區(qū)塊，其它節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證是否能得到相同的結(jié)果，如果相同就將合約加入已有區(qū)塊鏈上。通過(guò)搭建以太坊Go-Enthereum私有鏈環(huán)境或通過(guò)安裝Mist瀏覽器可測(cè)試智能合約執(zhí)行過(guò)程。

基于區(qū)塊鏈2.0架構(gòu)的UEEB系統(tǒng)具有與以太坊虛擬機(jī)類似的可編程框架和合約執(zhí)行方式，教育事務(wù)中角色的“教力”和“學(xué)力”、資源“難度”和“適應(yīng)度”等狀態(tài)的更新以及教育投入產(chǎn)出規(guī)則的實(shí)現(xiàn)均由相應(yīng)的智能合約自動(dòng)完成。一個(gè)在安裝好以太坊和Go-Enthereum的客戶端實(shí)現(xiàn)學(xué)力增加的合約代碼如圖5所示。

四、總結(jié)

在中心化結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，我們無(wú)法掌控自產(chǎn)的數(shù)據(jù)，個(gè)人數(shù)據(jù)由銀行、通信運(yùn)營(yíng)商、社交媒體、搜索引擎、第三方支付平臺(tái)等任意獲取，我們的行為喜好、收入支出甚至一舉一動(dòng)都可能被記錄，而且隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的不斷發(fā)展，這些數(shù)據(jù)可能日益破壞我們的隱私卻可能帶給他們可觀的紅利，在教育領(lǐng)域亦然，教育云平臺(tái)、資源中心或教育機(jī)構(gòu)搜集我們的學(xué)習(xí)狀態(tài)，卻并未反饋和更新我們的學(xué)習(xí)策略，區(qū)塊鏈技術(shù)的出現(xiàn)將逐步改變這種狀況。本文分析了區(qū)塊鏈核心概念及關(guān)鍵技術(shù)、總結(jié)了區(qū)塊鏈特點(diǎn)，重點(diǎn)討論了教育領(lǐng)域?qū)^(qū)塊鏈技術(shù)的需求，構(gòu)建了“區(qū)塊鏈+教育”體系框架，提出了一種通用教育經(jīng)歷區(qū)塊鏈UEEB系統(tǒng)。未來(lái)，我們的每一次學(xué)習(xí)、每一次分享、每一次教育經(jīng)歷所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)都存在于教育區(qū)塊鏈中，自己掌控自己的數(shù)據(jù)，自主定制與維護(hù)教育區(qū)塊鏈資源，每個(gè)人都既是教師也是學(xué)生，充分實(shí)現(xiàn)個(gè)性化教與學(xué)。然而，區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展還不完善，其在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用還尚未起步，因此本文構(gòu)建的“區(qū)塊鏈+教育”也還只是一個(gè)框架，但教育改革對(duì)區(qū)塊鏈的需求是迫切的，后續(xù)我們將繼續(xù)測(cè)試和優(yōu)化已提出的UEEB系統(tǒng)，由易到難逐步實(shí)現(xiàn)其中的各個(gè)模塊。